风电齿轮箱齿轮磨损的数值仿真研究

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近几年来,我国的风力发电事业得到了快速的发展。但是风电机组事故的频发,使人们对风电机组安全和可靠性的水平愈加关注。在风电齿轮箱中,齿轮作为风电机组传递动力与运动的重要部件,其磨损失效会对整机的运行状态有着较大的影响。齿轮的过度磨损,不仅会影响其传动的精度和传动效率,还会造成振动和温升等,严重时产生强烈的冲击将引发风电机组的重大故障,因此其磨损规律的研究对齿轮的优化设计及抗磨损技术研究有重要的指导意义。  目前,摩擦磨损研究在实验研究方面取得了大量成果,但是,实验研究的周期较长,耗费了大量的人力、物力以及财力,且具有相当的局限性。随着计算机技术的发展,数值仿真技术对于复杂的磨损问题展示了巨大的优越性。  本文首先对磨损理论及其计算模型进行了介绍,并总结了目前国内外齿轮磨损的实验及仿真计算的研究进展,从微观和宏观两个角度阐述了齿轮磨损的失效形式及其机理,分析影响其磨损过程的内外部因素。根据齿轮磨损失效的物理模型,结合数值计算方法,对齿轮磨损进行仿真计算。考虑到齿轮磨损因素的影响,利用可靠性理论的基本思想,以期求得齿轮磨损寿命的预测计算方法。文中的主要研究内容如下:  (1)首先文章阐述了磨损理论的发展,并介绍了齿轮磨损的失效形式和机理,分析了影响风电齿轮磨损的重要因素,并分为内部因素和外部因素进行探讨。  (2)根据齿轮接触的相关力学理论,利用经典接触方法和有限元方法对风电齿轮进行力学分析,确定齿轮啮合接触区内应力分布状态,为齿轮齿面磨损仿真计算提供力学基础。  (3)根据固体磨损理论和齿轮传动相关理论,建立了齿轮磨损的数学模型,并进行了仿真研究,求得了齿轮齿廓的磨损规律,并提出了风电齿轮抗磨损设计的措施。  (4)将可靠性设计理论的基本思想引入齿轮磨损的数值计算,利用蒙特卡洛法求得齿轮磨损寿命预测的计算方法,为风电齿轮的优化设计、磨损状态监测及耐磨损技术的实施提供了重要依据。  风电齿轮箱齿轮磨损的数值仿真研究,将有助于风电齿轮箱齿轮的设计优化,使之在风电机组运行的寿命周期内具有一定的可靠度;有助于在复杂工况条件下的风电齿轮磨损状态监测;有助于在风电齿轮箱齿轮的设计阶段引入摩擦学设计和可靠性设计,提高当前风电齿轮箱齿轮的设计水平;从理论上解决齿轮磨损的概率寿命预测问题,具有一定的理论价值及工程应用前景。
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